移动网格滑移技术在导叶螺旋桨试验中的应用

移动网格滑移技术在导叶螺旋桨试验中的应用

1桨船干扰技术随着计算机技术的快速发展，ptd技术逐渐成为工程应用中不可或缺的一项技术手段。这给在研究潜水员的技术方面提供了强有力的技术支持。通过它，可以数值模拟舰艇尾流速度分布、船体表面压力分布、自由表面波形式和波分布、船体阻力和桨船之间的相互干扰问题等。对于桨/船之间相互干扰的数值模拟，国内外现正如火如荼地进行着。MoustafaAbdel-Maksoud和KarstenRieck利用商业软件CFX对带与不带螺旋桨集装箱船模周围的流动结构进行研究。S.K.Chou等基于势流/粘流耦合技术，采用等价体积力方法数值模拟桨船干扰问题。Y.Tahara和J.Ando利用自己开发的自航模拟求解器计算带与不带螺旋桨的KCS集装箱船周围的流场(考虑自由表面)，并根据EFD结果进行校核。与此同时，在美国海军研究局（ONR）的支持下，密西西比州立大学的计算流体动力学实验室与宾夕法尼亚大学的应用研究实验室长期协作，发展了计算艇-桨干扰的数值算法，取得了很多重要成果。在德国，H.Streckwall和K.Tigges采用移动网格滑移交界面技术数值模拟吊舱推进船舶的尾流场。2003年，在韩国举办的第八届国际数值船舶水动力会议上，MichaelP.Ebert和JosephJ.Gorski发表了有关喷水推进船舶周围粘性流场计算的论文，文中对喷口入口的边界层流动以及喷口入口边缘复杂流场进行了数值模拟。在国内，相关研究也取得了一定进展，如王涛等用CFX-TASCflow对轴对称体与导管推进器组合体的三维复杂粘性流场进行了模拟计算；张志荣基于混合面模式，采用商业软件Fluent对KRISO的3600TEU集装箱船KCS（带桨）的尾流场进行数值模拟，并且对螺旋桨所表现出来的宏观量（推力和扭矩）进行定量比较，对带桨船体（不考虑自由液面）尾流场作定性分析。本文基于商业软件Fluent提供的滑移网格模式对带前置导叶螺旋桨潜艇自航试验进行数值模拟。而后，通过与螺旋桨敞水试验、潜艇阻力试验的数值模拟相结合，预报自航因子，并根据水池试验结果验证之。可以看出，本文对“数值拖曳水池”的建立进行了初步的探索，这对“数值水池”的发展将产生较大推动作用。2数学模型2.1．补充关系湍流模型不可压缩粘性流体的连续性方程和RANS方程可写成如下形式：应该强调指出的是，方程组（1）、（2）是不封闭的，因此，需要寻求补充关系（湍流模型）使问题封闭。文中采用RNGk-ε湍流模式进行数值计算。其湍动能方程和耗散率方程如下表示：为了节省篇幅，对上述四式中各参数的选取，这里就不再赘述了。至于壁面函数的匹配，本文所有算例均采用标准壁面函数。2.2虾体表面边界条件对于自航试验模拟，本文选取的计算域大小为4L×1L×πL（轴向×径向×周向），其中L为艇长；对于螺旋桨敞水试验，选取的计算域为：12D×2.5D×5πD，其中D为螺旋桨直径。至于边界条件，通常有两类：一类是给出边界上的压力，另一类是给出边界上的速度。本文计算域的边界包括：入口、出口、壁面、外场等。具体为：a.入口速度：潜艇艇艏向前一倍艇长处，其速度等于来流速度，即，V軑in=V軑0;b.出口压力：潜艇艇艉向后两倍艇长处，其压力等于参考压力，即，pout=p0;c.壁面边界：艇体表面设定为无滑移边界条件，即，壁面速度为0;d.外场边界：离艇体对称轴一倍艇长区域，设置与速度入口一致。2.3网格搭接方式对于本研究中的七叶大侧斜桨，由于其几何扭曲很大，若生成结构化网格，易出现负体积。故用非结构化网格来代替，结构化与非结构化网格之间采用设置交接面的形式进行搭接。其中，潜艇主附体区域均为结构化网格（见图1），螺旋桨区域为非结构化网格（见图2）。结构化与非结构化网格通过设置交接面形式搭接（见图3）：图中，1、2为网格滑移交接面；3、4、5为结构化与非结构化网格搭接交接面。当进行螺旋桨敞水计算时，总的网格数约110.6万；对于带前置导叶潜艇自航试验的数值模拟，总网格数约340.6万。2.4阶风压方程采用有限体积法(FVM)离散控制方程和湍流模式。其中，动量方程、湍流动能方程、湍流耗散率方程皆采用二阶迎风格式离散，压力项也采用二阶差分格式。压力速度耦合迭代采用Simple算法。3高聚物群落体本研究中假想潜艇的试验模型带有多种附体，这些附体包括：指挥台围壳、垂直尾翼和水平尾翼及前置导叶、螺旋桨。三副前置导叶的几何特征如表1所示、螺旋桨的几何参数如表2所示。4计算与分析4.1试验结果和预报结果为了能够数值预报实效伴流分数WT和相对旋转效率ηr，首先需对七叶大侧斜桨敞水试验进行数值模拟。表中，D表示螺旋桨直径，D1表示潜艇最大直径，L表示潜艇模型长度（L=4.24m）。本试验在0.7倍桨半径处雷诺数范围Rn=(0.33～0.50）×107。试验采用定转速变车速方式进行测试（测试点15个）。对于敞水试验，推力系数KT0、扭矩系数KQ0的试验和数值计算结果如图4、5所示。从图中可知，对于螺旋桨推力和敞水效率，数值预报结果与试验结果吻合较好，除进速系数J较大区域外，其误差均在5%以内；对于螺旋桨扭矩，在J=0.6～0.9范围，误差在5%以内；在进速系数较小或者较大区域，数值预报精度皆显不足。4.2数值预报结果根据敞水试验中滑移网格模式应用的初步探索，作者采用同样的数值方法对自航试验中船后螺旋桨的推力、扭矩进行数值模拟。在试验自航点处，船后螺旋桨推力、扭矩的数值预报结果与试验结果比较如图6、7所示。从图6、7可知，在试验自航点处，船后螺旋桨推力、扭矩的数值预报结果与试验结果呈现了良好的规律一致性，其相对误差在5%以内。图中还显示，船后螺旋桨推力的计算值均小于试验值，扭矩的计算值略大于试验值。说明该数值方法略微低估了船后螺旋桨推力，高估了扭矩。另外，根据图7我们可以得到，Re=2.13×107时，在试验自航点处因前置导叶的存在，引起船后螺旋桨推力、扭矩的增量，结果如表3所示。从表中可知，该方法能够较好地表征前置导叶对螺旋桨推力、扭矩的影响，而且前置导叶对螺旋桨推力、扭矩影响的数值预报结果与试验结果的量级相当接近。图中，αg表示前置导叶安装角。其中，αg=0°表示潜艇不带前置导叶工况。4.3流量因素的预测值和精度分析4.3.1试验结果分析根据4.2节，我们可以得到在试验自航点处，螺旋桨推力T、扭矩Q和(带桨)潜艇主附体阻力Rp，如表4所示。为了表征试验自航点和数值自航点的差别，定义一参数。根据表4可得到如下结果：ESP<0，表明在试验自航点处，潜艇艇体阻力Rp小于船后螺旋桨推力T，这说明螺旋桨转速n偏大，即数值预报自航点处的进速系数J比试验自航点的J要小；ESP>0，说明数值计算自航点J要比试验的大。从表5可知，在试验自航点处，当潜艇航速增大时，数值预报结果显示潜艇阻力Rp（带桨）与螺旋桨推力T的差值也随之增大。在Re=1.63×107和Re=1.88×107处，ESP很小，说明数值预报自航点与试验自航点差别很小；当Re=2.13×107时，ESP约为5%，表明数值预报自航点位置J要比试验的大。因此，对于Re=1.63×107和Re=1.88×107，作者选定数值自航点与试验自航点相同；至于Re=2.13×107，作者采用定航速变转速方法确定数值自航点，如表6所示。为了能够预报潜艇的推力减额分数t，还需知道潜艇在中速工况下的阻力R值。同样，为了尽量消除因数值方法引起的误差，对于此工况下潜艇阻力，采用与自航试验相一致的数值方法，计算结果见表7。综上所述，数值预报自航点位置J，以及自航时船后螺旋桨推力系数KT、扭矩系数KQ和（无桨）潜艇阻力R如表7所示。4.3.2激发内航因子能力潜艇模型自航试验的傅氏数范围为Fr=0.56～0.79。在此范围内，潜艇阻力受兴波影响比较严重。因此，为了能够尽量准确评估该数值方法预报潜艇自航因子的能力，需尽量减小自航试验中兴波的影响。文献专门对在不同潜深状态下，自由表面兴波对潜艇阻力试验的影响进行了分析研究。作者根据文献的定量研究结果，对本模型试验的阻力值扣除了兴波影响，得到了修正后的R值，见表8；对于自航试验修正，采用剑阻力加潜艇因兴波引起的阻力增量作为自航点判断依据的方法，得到了在新的自航点位置的螺旋桨推力系数KT、扭矩系数KQ，结果如表8所示。4.3.3数值结果的比较根据表7、8和螺旋桨敞水性能曲线（图4），利用传统的等推力法可得到潜艇自航因子和推进效率成分，结果如图8、9所示。图8为自航因子和推进效率成分随潜艇航速的变化分布。试验结果和数值计算结果均显示，随潜艇航速的增大，潜艇自航因子和各效率成分大小变化不大。随着导叶安装角的增大，对于自航因子和推进效率成分的变化趋势，如图9所示。除推力减额因子t外，试验结果和数值计算结果显示了良好的规律一致性。至于t，因前置导叶安装角的增大对潜艇阻力的预报增加了难度，故随着导叶安装角的增大，两种方法预报的t的变化趋势略显不同。为了能够评估该数值方法的预报精度，需对数值计算结果进行误差分析，结果如表9所示。表中误差计算公式均为：从表中可知，对于实效伴流分数WT，该方法的预报精度较差，在11%左右；对于推力减额因子t，因其值较小，故预报精度也较差，最大相对误差约17%。对于推进效率各成分，如敞水效率η01和相对旋转效率ηr1，该方法预报精度很高，均在2%以内；如船身效率ηh1，因WT、t结果，而导致其预报精度下降，最大相对误差达8%左右。至于总的推进效率ηD1，该方法的预报精度约5%。前置导叶对潜艇自航因子和各效率成分的影响如表10所示。可以看出，数值预报和试验结果均显示：(1)当潜艇尾部加装前置导叶后，WT、ηh1、ηD1都增大，η01、ηr1皆减小；(2)当前置导叶安装角增大，WT、ηh1、ηD1均随之增大，而η01、ηr1则随之减小；(3)前置导叶对这些参数影响的量级，两种方法预报结果十分接近。可见，该数值方法能够很好地预报前置导叶对自航因子以及各效率成分的影响。因此，可以据此方法进行前置导叶的实用化研究。5数值预报精度分析本文作者利用商业软件Fluent数值模拟潜艇的快速性试验，对敞水螺旋桨推力、扭矩和船后螺旋桨推力、扭矩进行数值预报，分析其预报精度。而后，根据这些数值计算结果，建立数值拖曳水池概念。利用传统的等推力法，分别计算潜艇的自航因子和各效率成分，并且依据试验结果，对其进行校核，评估该方法的预报精度。文中的数值预报精度分析均是以假定试验结果为“真值”的前提下进行的。根据上述分析结果，我们可以得出如下结论：(1)对于七叶大侧斜桨敞水试验的数值模拟，在J=0.6～0.9范围内，该方法的数值预报精度在5%以内；在进速系数较小或者较大区域，数值预报精度略显不足。(2)对于船后螺旋桨水动力性能的数值模拟，在J=0.84～0.94范围内，该数值方法能够较好地